Лазер (англ. laser, скор. Від Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - «посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання»), оптичний квантовий генератор - пристрій, що перетворює енергію накачування (світлову, електричну, теплову, хімічну та ін) в енергію когерентного , монохроматичного, поляризованого і вузькоспрямованого потоку випромінювання.
Існують лазери з довжинами хвиль від ультрафіолетових до інфрачервоних, а потужність лазерів може варіюватися від декількох часток мілліваттах для медичних застосувань до кіловат - для лазерів, що використовуються в промисловості.
Пристрій лазера
Лазер складається з джерела енергії (механізм «накачування), активного середовища і системи дзеркал (резонатора).
Джерелом енергії може бути електричний розрядник, імпульсна або дугова лампа, інший лазер, хімічна реакція і т.д.
Активним середовищем може бути газ (вуглекислий, аргон, криптон) або суміш газів (гелій-неон або ксенон хлор), рідина (барвник), пари металу (мідь, золото), тверді тіла (кристали, скло), напівпровідники і ін
З практичної точки зору лазер - це джерело світла, який випускає вузький пучок світла. Цей пучок світла має певну довжину хвилі і поширюється з маленькою розбіжність.
Усередині лазера енергія збуджує «активне середовище», яка випромінює енергію у вигляді світла.
Активна середовище містить більшу кількість атомів у збудженому стані, ніж атомів з більш низьким рівнем енергії. Світлова хвиля формується, коли атом з «порушеної» стану, де він містить певну кількість енергії, переходить в інший стан з меншою кількістю енергії. Різниця в енергії між двома рівнями відповідає енергії испускаемой хвилі.
Гігантська кількість атомів випромінюють узгоджено, в результаті виникає внутрішньо упорядкований світловий потік. Це є когерентний світло.
Випроменена активним середовищем світлова хвиля з певною енергією відбивається від дзеркал (резонатор) і знову повертається в активну середу знову порушуючи всі нові атоми. Цей процес, що триває і світловий пучок стає сильніше і сильніше. Хвиля може відображатися багато разів до моменту виходу назовні. Зазвичай використовується частково прозоре дзеркало з однією з сторін, щоб забезпечити вихід необхідної частини лазерного променя.
Оптичний резонатор, найпростішою формою якого є два паралельних дзеркала, знаходиться навколо робочого тіла лазера.
У більш складних лазерах застосовуються чотири і більше дзеркал, що утворюють резонаторів.
Фізичні основи роботи лазера
Спонтанні та вимушені переходи.
Згідно класичним уявленням, випускання і поглинання електромагнітного випромінювання кількісно зв'язується з уповільненням і прискоренням електричні зарядів. Наприклад, процес спонтанного випускання супроводжується поступовим витратою початкової енергії осцилятора на випромінювання протягом певного проміжку часу, кількісною характеристикою якого служить так званий час життя t. У результаті випромінювана потужність зменшується з часом по експоненті і розсіюється в просторі у формі сферичних хвиль.
У квантовій теорії мають справу зі стаціонарними станами, а елементарні акти поглинання і випускання передбачаються відбуваються миттєво. Ейнштейн запропонував процес випромінювання або поглинання характеризувати ймовірністю, або чисельним коефіцієнтом, який визначає, скільки переходів відбувається в середньому в одиницю часу з кожним з атомів даного ансамблю. Вірогідність, одержувані з досвіду, є емпіричними постійними атомних процесів, знання яких і дозволяє чисельно описати поведінку даної сукупності атомів. Квантова механіка дає можливість, виходячи з будови атома, обчислити значення цих коефіцієнтів.
Випущення може бути спонтанним (що відбувається при відсутності впливу зовнішнього випромінювання) і вимушеним (тим, що відбувається в результаті впливу зовнішнього випромінювання). Поглинання завжди є вимушеним процесом.
Нехай є два рівні, що містять однакові частинки, які можуть випускати фотони частоти n ik.
Згідно постулатам Ейнштейна, число спонтанних переходів в одиницю часу в одиниці об'єму з верхнього рівня на нижній пропорційно кількості частинок на вихідному рівні.
Співвідношення суворо виконується, якщо елементарні процеси незалежні, що в більшості випадків і спостерігається.
визначає число спонтанно що випускаються в одиницю часу фотонів частоти n ik в розрахунку на одну збуджену частку з енергією Ei. Тому цей коефіцієнт називається ймовірністю спонтанного випускання, або коефіцієнтом Ейнштейна для спонтанного випускання.
Число фотонів, поглинутих в одиниці об'єму за одиницю часу, також пропорційно населеності вихідного (нижнього) рівня і ще залежить від щільності падаючого випромінювання r на даній частоті (енергії фотонів в одиниці об'єму).
- Це ейнштейнівської коефіцієнт поглинання. Імовірність поглинання дорівнює.
Аналогічно визначається число фотонів у разі вимушеного випромінювання, що випускаються за одиницю часу при переході з верхнього рівня на нижній під впливом зовнішнього випромінювання.
Цей коефіцієнт носить назву ейнштейнівського коефіцієнта для вимушеного випромінювання. Імовірність переходу дорівнює
Якщо немає виродження енергетичних рівнів, то ймовірності вимушених переходів з випромінюванням і поглинання кванта рівні. Це означає, що фотон з однаковою ймовірністю може індукувати випромінювання або бути поглинений.
У стані теплової рівноваги високі енергетичні рівні мають меншу населеність, ніж низькі, тому акти поглинання відбуваються набагато частіше, ніж акти індукованого випускання. Загальний енергетичний баланс підтримується за рахунок спонтанного випромінювання.
У разі спонтанних процесів випущення фотонів відбувається в будь-якому напрямку, а вимушене випускання - у напрямку поширення падаючого на частку випромінювання.
Історія
Історія винаходу лазера почалася в 1916 році, коли Альберт Енштейн створив теорію взаємодії випромінювання з речовиною, де простежувалася думка про можливість створення квантових підсилювачів і генераторів електромагнітних хвиль.
У 1928 році, Ланденбург, сформулював умови виявлення індукованого випромінювання, зазначивши, що для цього необхідне спеціальне виборче збудження квантової системи.
У 1955 році Микола Басов і Олександр Прохоров розробили квантовий генератор - підсилювач мікрохвиль за допомогою індукованого випромінювання, активним середовищем якого є аміак.
А в 1958 році Олександр Прохоров використав для створення лазера резонатор Фабрі-Перо, що представляє собою два паралельних дзеркала, одне з яких напівпрозорий.
Перший працюючий лазер був зроблений Теодором Майманом в 1960 році в дослідницькій лабораторії компанії Хьюза (Hughes Aircraft), яка перебувала в Малібу, штат Каліфорнія з залученням груп Таунса з Колумбійського Університету та Шалоу з компанії Bell laboratories. Майман використовував рубіновий стрижень з імпульсною накачкою, який давав червоне випромінювання з довжиною хвилі 694 нанометра. Приблизно в той же час іранський фізик Алі Яван представив газовий лазер. Пізніше за свою роботу він отримав премію імені Альберта Ейнштейна.
У тому ж році доктор Леон Голдман вперше використовував рубіновий лазер для руйнування волосяних фолікулів.
Революційні досягнення лазерних технологій не могли не торкнутися галузі естетичної медицини і в 1964 році був винайдений лазер на діоксиді вуглецю (СО2 - лазер) для хірургічних цілей. З цього моменту лазерна косметологія стала розвиватися великими темпами.
У 1983 р. Андерсон і Парріш запропонували метод селективного фототермоліза, який заснований на здатності біотканин вибірково поглинати світлове випромінювання певної довжини хвилі, що призводить до їх локальної деструкції. При поглинанні основними хромофорами шкіри - водою, гемоглобіном або меланіном - електромагнітна енергія лазерного випромінювання перетвориться в тепло, що викликає нагрівання і коагуляцію хромофорів. При цьому одночасно відбувається охолодження нагрітого ділянки тканини за рахунок теплопровідності, тобто тепло переходить від більш теплого ділянки до більш холодного. Таким чином, для того щоб перетворити теплова енергія накопичувалася виключно в обраному для руйнування хромофора, активний нагрів мішені повинен відбуватися швидше, ніж її пасивне охолодження.
Властивості лазерного випромінювання
На відміну від звичайних, теплових джерел випромінювання лазер дає світло, що володіє цілим рядом особливих і дуже цінних властивостей.
1. Лазерне випромінювання когерентно і практично монохроматичного. До появи лазерів цією властивістю володіли тільки радіохвилі, які випромінює добре стабілізованою передавачем. А це дало можливість освоїти діапазон видимого світла для здійснення передачі інформації та зв'язку, тим самим істотно збільшивши кількість переданої інформації за одиницю часу.
Через те, що вимушене випромінювання поширюється строго уздовж осі резонатора, лазерний промінь розширюється слабо: його розбіжність становить кілька кутових секунд.
Всі перераховані якості дозволяють фокусувати лазерний промінь в пляму надзвичайно малого розміру, отримуючи в точці фокусу величезну щільність енергії.
2. Лазерне випромінювання великої потужності має величезну температуру.
Зв'язок між енергією рівноважного випромінювання E даної частоти n і його температурою T задає закон випромінювання Планка. Залежність між цими величинами має вид сімейства кривих у координатах частота (за абсциссе) - енергія (по ординаті). Кожна крива дає розподіл енергії в спектрі випромінювання при певній температурі. Лазерне випромінювання нерівноважної, але, тим не менш, підставивши у формулу Планка значення його енергії E в одиниці об'єму і частоти n (або відклавши їх значення на графіку), ми отримаємо температуру випромінювання. Оскільки лазерне випромінювання практично монохроматичного, а щільність енергії (її кількість в одиниці об'єму) може бути надзвичайно велика, температура випромінювання здатна досягати величезної величини. Так, наприклад, імпульсний лазер потужністю близько петаватт (1015 Вт) має температуру випромінювання близько 100 мільйонів градусів.
Методи створення інверсії населеності.
Для створення активної Середовища необхідно виборче збудження атомів, що забезпечує переважне заселення однієї чи кількох рівнів енергії. Одним з найбільш простих і ефективних методів є метод оптичного накачування, який був використаний у першому Л. на рубіні. Рубін являє собою кристал окису алюмінію Al2O3 з домішкою (~ 0,05%) іонів Cr3 +, що заміщають атоми Al. Рівні енергії іона Cr3 + в рубіні. Поглинання світла, відповідного синьої та зеленої областях спектру, переводить іони Cr3 + з основного рівня E1 на збуджені рівні, що утворюють дві широкі смуги 1 і 2. Потім за порівняно короткий час (~ 10-8 сек) здійснюється безвипромінювальної перехід цих іонів на рівні E2 і . Надлишок енергії при цьому передається коливанням кристалічної решітки. Час життя іонів Cr3 + на рівнях E 2 і
складає 10-3 сек. Тільки після закінчення цього часу іони знову повертаються на основний рівень E1. Переходам E2 ® E1 і ® E1 відповідає випромінювання в червоній області спектра. Якщо висвітлювати кристал рубіна світлом джерела, що володіє досить великою інтенсивністю в синьої та зеленої областях спектру (смуги накачування), то відбувається накопичення іонів Cr3 + на рівнях E2 і
і виникає інверсія населенностей цих рівнів по відношенню до основного рівня E1. Це дозволило створити Л., який працює на переходах E2 ® E1 і ® E1, що генерує світло з довжиною хвилі l "0,7 мкм.
Для створення інверсії населенностей рівнів E2, щодо E1 необхідно перевести більше половини іонів Cr3 + на рівні E2, за час, що не перевищує 10-3 сек. Це висуває великі вимоги до потужності джерела накачування. В якості таких джерел використовуються імпульсні ксенонові лампи. Тривалість імпульсу накачки зазвичай ~ 10-3 сек. За цей час у кожному см3 кристала поглинається енергія в кілька дж.
Метод оптичного накачування володіє декількома перевагами. По-перше, він застосовний для порушення середовищ з великою концентрацією частинок (тверді тіла, рідини). По-друге, цей метод збудження вельми селективен. Так, в рубіні в основному поглинається тільки та частина спектру випромінювання ламп накачування, яка відповідальна за збудження іонів Cr3 +. Все інше випромінювання потрапляє в область прозорості і поглинається відносно слабко. Тому ставлення повної енергії, вкладеної в одиницю об'єму робочої речовини, до корисної енергії, витраченої на створення інверсної населенностей рівнів, в основному визначається особливостями використовуваної системи рівнів. Всі інші втрати енергії зведені до мінімуму. У рубіні втрачається лише та частина енергії, яка йде на порушення власних коливань кристалічної решітки в результаті безвипромінювальної переходів. Зменшення паразитних втрат енергії істотно для зменшення теплових навантажень речовини. Питома енергія імпульсу генерації в твердотільних Л. досягає декількох дж від кожного см3 речовини. Приблизно стільки ж енергії залишається в робочому речовині. Для одноатомного газу при атмосферному тиску енергія в 1 дж відповідає температурі 10000 К. Для твердого тіла, внаслідок його великої теплоємності, виділення енергії ~ 1 дж/см3 дає нагрівання на десятки градусів. Недоліком методу оптич. накачування є малий коефіцієнт корисної дії. Ставлення енергії імпульсу Л. до електричної енергії живлення лампи-накачування в кращому випадку не перевищує декількох% через неповне використання спектру ламп накачування (~ 15%) і внаслідок втрат на перетворення електричної енергії в світлову в самих лампах.
Велике поширення отримав метод створення активного середовища безпосередньо в електричному розряді в різних газах. Можливості отримання за допомогою цього методу імпульсів генерації великої енергії обмежуються в основному малої щільністю робочого середовища; інверсію населенностей легше отримати в порівняно розріджених газах. Однак цей метод дозволяє використовувати в якості активного середовища Л. самі різні атомні і молекулярні гази та їх суміші, а також різні типи електричних розрядів у газах. У результаті виявилося можливим створити Л., що працюють в інфрачервоній, видимій і ультрафіолетовій областях спектру. Крім того, порушення в електричному розряді дозволяє реалізувати безперервний режим роботи Л. з великим ККД перетворення електричної енергії в енергію випромінювання Л. (див. Газовий лазер).
У найбільш потужному газорозрядному Л. безперервної дії на суміші молекулярних газів CO2 і N2 (з додаванням ряду ін компонентів) механізм утворення інверсії населенностей полягає в наступному: електрони газорозрядної плазми, прискорюються електричним полем, при зіткненнях збуджують коливання молекул N2. Потім в результаті зіткнень збуджених молекул N2 з молекулами CO2 відбувається заселення одного з коливальних рівнів CO2, що і забезпечує виникнення інверсії населенностей. Всі стадії цього процесу виявляються дуже ефективними, і ккд досягає 20-30%.
Надалі виявилося можливим створити газодинамічний лазер на суміші CO2 і N2, в якому газова суміш нагрівається до температури Т ~ 2000 К, формується надзвуковий потік, який, виходячи з сопла, розширюється і тим самим швидко охолоджується. У результаті швидкого охолодження виникає інверсія населенностей робочих рівнів CO2 (див. Газодинамический лазер). КПР перетворення теплової енергії у випромінювання газодинамічного Л. невеликий (~ 1%). Тим не менш газодинамічні Л. дуже перспективні, тому що, по-перше, в цьому випадку полегшується завдання створення великогабаритних Л. великої потужності і, по-друге, при використанні теплових джерел енергії питання про ккд Л. стоїть менш гостро, ніж у разі електророзрядних Л. При спалюванні 1 г палива (наприклад, гасу) виділяється енергія порядку десятка тис. дж, в той час як електрична енергія, запасна в конденсаторах, що живлять лампи спалаху, - порядку 0,1 дж на 1 см 3 об'єму конденсатора .
Т. до хімічні зв'язки молекул є виключно енергоємним накопичувачем енергії, то перспективно безпосереднє використання енергії хімічних зв'язків для збудження частинок, тобто створення активного середовища Л. у результаті хімічних реакцій. Прикладом хімічної накачування є реакція водню або дейтерію з фтором. Якщо в суміші H2 і F2 к.-л. чином диссоциировать невелика к-сть молекул F2, то виникає ланцюгова реакція F + H2 ® HF + H, H + F2 ® HF + F і т.д. Молекули HF, які утворюються в результаті цієї реакції, перебувають у збудженому стані, причому для ряду квантових переходів виконуються умови інверсії населенностей. Якщо до вихідної суміші додати CO2, то, окрім Л. на переходах HF (l ~ 3 мкм), вдається також створити Л. на переходах СО2 (l = 10,6 мкм). Тут коливально збуджені молекули HF грають ту ж роль, що і молекули N2 у газорозрядних лазерах на CO2. Більш ефективною в цьому випадку виявляється суміш D2, F2 і CO2. У цій суміші коефіцієнт перетворення хімічної енергії в енергію когерентного випромінювання може досягати 15%. Хімічні Л. можуть працювати як в імпульсному, так і в безперервному режимах; розроблені різні варіанти хімічних Л., у тому числі подібні з газодинамічними Л.
У напівпровідниках активне середовище виявилося можливим створювати різними способами: 1) інжекцією носіїв струму через електронно-дірковий перехід; 2) збудженням електронним ударом; 3) оптичним збудженням.
Застосування лазерів.
Унікальні властивості лазерного випромінювання зробили квантові генератори незамінним інструментом в самих різних областях науки і техніки.
1. Технологічні лазери. Потужні лазери безперервної дії застосовуються для різання, зварювання та паяння деталей з різних матеріалів. Висока температура випромінювання дозволяє зварювати матеріали, які іншими методами з'єднати не можна (наприклад, метал з керамікою). Висока монохроматичность випромінювання дозволяє сфокусувати промінь в точку діаметром порядку мікрона (за рахунок відсутності дисперсії, див. КОЛИВАННЯ І ХВИЛІ) і застосовувати його для виготовлення мікросхем (так званий метод лазерного скрайбування - зняття тонкого шару). Для обробки деталей у вакуумі або в атмосфері інертного газу лазерний промінь можна вводити в технологічну камеру через прозоре вікно.
Ідеально прямий лазерний промінь служить зручною «лінійкою». У геодезії та будівництві імпульсні лазери застосовують для вимірювання відстаней на місцевості, розраховуючи їх за часом руху світлового імпульсу між двома точками. Точні виміри в промисловості виробляють за допомогою інтерференції лазерних променів, відбитих від кінцевих поверхонь виробу.
2. Лазерний зв'язок. Поява лазерів зробило переворот в техніці зв'язку та запису інформації. Існує проста закономірність: чим вище несуча частота (менше довжина хвилі) каналу зв'язку, тим більше його пропускна здатність. Саме тому радіозв'язок, спочатку освоившая діапазон довгих хвиль, поступово переходила на все більш короткі довжини хвиль. Але світло - така ж електромагнітна хвиля, як і радіохвилі, тільки в десятки тисяч разів коротше, тому по лазерному променю можна передати в десятки тисяч разів більше інформації, ніж по високочастотному радіоканалу. Лазерний зв'язок здійснюється через оптичне волокно - тонким скляним ниткам, світло в яких за рахунок повного внутрішнього відбиття поширюється практично без втрат на багато сотень кілометрів. Лазерним променем записують і відтворюють зображення (у тому числі рухоме) і звук на компакт-дисках.
3. Лазери в медицині.
Лазерна техніка широко застосовується і в хірургії, і в терапії. Лазерним променем, введеним через очної зіницю, «приварюють» відшарувалася сітківку і виправляють дефекти очного дна. Хірургічні операції, вироблені «лазерним скальпелем» менше травмують живі тканини. А лазерне випромінювання малої потужності прискорює загоєння ран і впливає, аналогічне голковколювання, практикується східною медициною (лазерна акупунктура).
4. Лазери в наукових дослідженнях. Надзвичайно висока температура випромінювання та висока щільність його енергії дає можливість досліджувати речовину в екстремальному стані, існуючому лише у надрах гарячих зірок. Робляться спроби здійснити термоядерну реакцію, стискаючи ампулу з сумішшю дейтерію з тритієм системою лазерних променів (т.зв. інерційний термоядерний синтез). У генної інженерії та нанотехнології (технології, що має справу з об'єктами з характерними розмірами 10-9 м) лазерними променями розрізають, пересувають і з'єднують фрагменти генів, біологічних молекул і деталі розміром порядку мільйонної частки міліметра (10-9 м). Лазерні локатори (лідар) застосовуються для дослідження атмосфери.
5. Військові лазери.
Військове застосування лазерів включає як їх використання для виявлення цілей і зв'язку, так і застосування в якості зброї. Промінням потужних хімічних та ексимерних лазерів наземного або орбітального базування планується руйнувати або виводити з ладу бойові супутники і літаки противника. Створені зразки лазерних пістолетів для озброєння екіпажів орбітальних станцій військового призначення.
Можна без перебільшення сказати, що лазери, що з'явилися в середині XX століття, відіграли таку ж роль в житті людства, як електрика і радіо півстоліття раніше.
Література
1.) Брегг У. «Світ світла. Світ звуку ». М., Наука, 1967
2.) Дунская І.М. «Виникнення квантової електроніки». М., Наука, 1974
3.) Тарасов Л.В. "Лазери: дійсність і надії». М., Наука, 1979
4.) ТРАНКОВСКИЙ С. «Книга про лазерах». М., 1988